(57)【要約】【課題】非常に簡単な構造で安価に構成できるうえに、ピントずれも生じず、小体を通過させる流通路の形状に制限がほとんどない小体測定装置を提供する。【解決手段】媒体中を流動する１又は複数の小体２の形態を測定するものであって、光源６と、光源６から出た光を所定の光軸方向Ｃに進む平行光とする平行化レンズ７と、平行化レンズ７から光軸方向Ｃに一定距離離間させて配置した集光レンズ８と、前記レンズ７、８間に設けられ、光を横切る方向に小体２を通過させる流通路９と、前記集光レンズ８からの光を受光して小体２の輪郭情報を含む画像データを出力するエリアイメージセンサ４とを備えるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体中を流動する１又は複数の小体の形態を測定するものであって、光源と、光源から出た光を所定の光軸方向に進む平行光とする平行化レンズと、前記平行化レンズから光軸方向に一定距離離間させて配置した集光レンズと、前記レンズ間に設けられ、光を横切る方向に小体を通過させる流通路と、前記集光レンズからの光を受光して小体の輪郭情報を含む画像データを出力する光センサとを備えていることを特徴とする小体測定装置。
【請求項２】
前記流通路の光軸方向の幅が、前記小体を複数通過させるだけの大きさを有するものである請求項１記載の小体測定装置。
【請求項３】
前記画像データに基づいて、流通路内にある小体の体積に関する量を算出する体積算出部を更に備えている請求項１又は２記載の小体測定装置。
【請求項４】
前記画像データを一定時間間隔で複数取得し、それら画像データから小体の移動速度に関する量を算出する速度算出部を更に備えている請求項１、２又は３記載の小体測定装置。
【請求項５】
媒体中を流動する１又は複数の小体の形態を測定する際に用いられるものであって、光源と、光源から出た光を所定の光軸方向に進む平行光とする平行化レンズと、前記平行化レンズから光軸方向に一定距離離間させて配置した集光レンズと、前記レンズ間に設けられ、光を横切る方向に小体を通過させる流通路とを備えてなり、前記集光レンズを通過した光が、小体の輪郭情報を含む画像データを出力する光センサに導かれるように構成していることを特徴とする小体測定用光学装置。
【請求項６】
前記各レンズがフレネルレンズであり、互いに対向する面を平面、互いに背向する面をレンズ面となるように配置している請求項５記載の小体測定用光学装置。
【請求項７】
前記流通路が、光軸方向に前記小体を複数通過させるだけの幅を有するものである請求項５又は６記載の小体測定装置。
【請求項８】
前記光源がＬＥＤを備えたものである請求項５、６又は７記載の小体測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中を漂うプランクトンや、空気中を落下する液滴、霧状物質などのように、媒体中を流動する小体について、その形態を測定し、その結果から体積や移動速度の算出ができるようにする小体測定装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の小体測定装置では、非特許文献１に示すように、厚みが非常に薄い流通空間（流通路）を設けて、その空間を通る小体をカメラで撮像し、その画像に処理を施して各小体における輪郭等の形態を判断するようにしている。
【０００３】
このように厚みが薄い流通空間を設けているのは、カメラの焦点を合わせるためであり、仮に流通空間が円筒のように厚いものであると、その流通空間を通る小体のうち、カメラの焦点位置にあるものだけしか撮像できないうえに、ピントのずれた小体画像が邪魔をする場合があるからである。
【０００４】
しかしながら、このような構成であると、流通空間の形状を自由に設定できないうえ、小体を流通空間に導きにくいといったことから、測定の自由度が制限される。
【０００５】
またテレセントリック光学系を有したカメラを用いれば、理論上、ピントずれを防止できるものの、実際のテレセントリック光学系には焦点が紛れもなく存在し、どのように構成しようとも、ピントずれの完全な防止を実現することは難しいのが実情である。さらに、テレセントリック光学系は、構成が複雑で高価になるうえに、画像が暗くなりがちでＳＮが悪くなるという不具合もある。
【非特許文献１】Handbook画像処理工学-応用編（共立出版）  １９９９年発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、非常に簡単な構造で安価に構成できるうえに、ピントずれも生じず、小体を通過させる流通路の形状に制限がほとんどない小体測定装置及びそれに用いられる光学装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る小体測定装置は、媒体中を流動する１又は複数の小体の形態を測定するものであって、光源と、光源から出た光を所定の光軸方向に進む平行光とする平行化レンズと、前記平行化レンズから光軸方向に一定距離離間させて配置した集光レンズと、前記レンズ間に設けられ、光を横切る方向に小体を通過させる流通路と、前記集光レンズからの光を受光して小体の輪郭情報を含む画像データを出力する光センサとを備えていることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、流通路内で光が平行であるため、その流通路内の特に光軸方向のどの位置に小体が位置しようとも、各小体の輪郭を、ピントぼけなく、光センサで確実に検出することができる。また各レンズ間の距離は任意に設定できるため、流通路を断面の大きな太いものにするなど、その形状を自由に設定することができ、多様な状況にも対応して種々の小体を測定することができる。さらに、必要な基本部品は、光源、一対のレンズ、光センサ及び流通路を形成するための部材だけであるため、構成が非常に簡単で低コスト化が可能になる。
【０００９】
従来との比較において本発明の効果が特に顕著となるのは、前記流通路の光軸方向の幅が、前記小体を複数通過させるだけの大きさを有する場合である。
【００１０】
種々の用途に対応するためには、前記画像データに基づいて、流通路内にある小体の体積に関する量を算出する体積算出部や、前記画像データを一定時間間隔で複数取得し、それら画像データから小体の移動速度に関する量を算出する速度算出部等を更に備えているものが好ましい。
【００１１】
光軸方向の小型化を図るには、前記各レンズにフレネルレンズを用いればよい。またレンズ間には小体の通過する流通路が設けられているため、構成によってはこのレンズそのものが流通路を形成する壁になる場合もあるが、そういった場合におけるレンズへの汚れの付着防止や汚れ除去の容易化を図るには、前記各レンズを、互いに対向する面を平面、互いに背向する面をレンズ面となるように配置しておくことが望ましい。
【００１２】
前記光源としては、寿命や速応性、効率を考えた場合に、ＬＥＤを備えたものが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
このように構成した本発明によれば、流通路内で光が平行であるため、その流通路内の特に光軸方向のどの位置に小体が位置しようとも、各小体の輪郭を、ピントぼけなく、光センサで確実に検出することができる。
【００１４】
また各レンズ間の距離を任意に設定できるため、流通路を断面の大きな太いものにするなど、その形状を自由に設定することができ、多様な状況にも対応して種々の小体を測定することができる。
【００１５】
さらに、必要な基本部品は、光源、一対のレンズ、光センサ及び流通路を形成するための部材だけであるため、構成が非常に簡単で低コスト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
【００１７】
図１、図２に示すように、本実施形態にかかる小体測定装置１は、媒体中を流動する多数の小体２の形態（特に輪郭）を測定するものである。ここでは例えば媒体が水、小体２が水中を浮遊するプランクトンやゴミ等である場合を例にとって説明する。なお小体２とは、後述する流通路に少なくとも数個（５〜９個以上）程度、同時に入りうるような大きさのものを言う。
【００１８】
この小体測定装置１は、小体２に平行光Ｌ２を照射して集光するための光学装置３と、その光学装置３で所定半径まで集光された光Ｌ３を受光する光センサたるエリアイメージセンサ４と、エリアイメージセンサ４から出力される画像データから種々の情報を算出する情報処理装置５とを備えたものである。
【００１９】
各部を説明する。
【００２０】
光学装置３は、光源６と、その光源６から出た光Ｌ１を所定の光軸方向Ｃに進む平行光Ｌ２とする平行化レンズ７と、前記平行化レンズ７から光軸方向Ｃに一定距離離間させて配置した集光レンズ８と、前記レンズ７、８間に設けられ、光Ｌ２を横切る方向に小体２を通過させる流通路９とを備えている。
【００２１】
光源６は、ここでは例えばＬＥＤを用いて構成した実質的に点光源とみなせるもので、ある程度の指向性を有する。
【００２２】
平行化レンズ７及び集光レンズ８には、例えばフレネルレンズを用いている。そして、互いに対向する面７ａ、８ａをレンズ面、互いに背向する面７ｂ、８ｂを平面となるように配置している。
【００２３】
流通路９は、導入ポート９１から小体２を導入して導出ポート９２から当該小体２を導出するもので、光Ｌ２を透過する図示しない透明部材で形成している。また、この流通路９の大きさは、その横断面における光軸方向の幅、光軸方向に直交する方向の幅ともに、前記小体２を複数通過させることができるだけものに設定している。
【００２４】
エリアイメージセンサ４は、例えば面状に並べ設けた複数のＣＣＤであり、その前段には図示しない結像用の光学機構を設けている。そして、集光レンズ８を通過した光Ｌ３の断面が、センサ４の受光面において、その大きさとほぼ合致又はそれより若干小さくなった状態で結像するようにして、受けた光から小体２の輪郭情報を含む画像データを出力するように構成している。
【００２５】
情報処理装置５は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、Ｉ／Ｏチャンネル１０３等を備えた、例えば汎用コンピュータであり、ディスプレイ１０４、マウスやキーボードといった入力手段１０５等に接続されている。
【００２６】
そして、この情報処理装置５に所定のプログラムをインストールし、そのプログラムに基づいてＣＰＵ１０１や周辺機器を共働させることにより、この情報処理装置５が、エリアイメージセンサ４からの画像データを受信し、その画像データにコントラスト処理などを施してディスプレイに出力する画像処理部５１や、この画像処理部５１で処理された画像データに基づいて流通路９内にある小体２の体積に関する量を算出する体積算出部５２等として機能するようにしている（図１に示す）。
【００２７】
より具体的に説明すると、当初エリアイメージセンサ４から送信されてきた画像データでは、小体２が存在して光が遮られる部位が暗く、その他の部分が明るくなっているが、画像処理部５１では、これを更に顕在化させるべく、例えば白黒の２値化処理を施し、小体２が存在している部分を黒、その他の部分を白にする。この画像データをディスプレイに表した一例を模式的に図４に示す。
【００２８】
体積算出部５２では、画像処理後の画像データにおける黒の領域の面積を計算し、それに比例定数をかけることにより、流通路９内にある小体２の全体積を算出する。これは、小体２が黒い領域として表されるところ、各小体２が、エリアイメージセンサ４から遠くにあっても近くにあっても、その黒い領域は、平行光Ｌ２の照射による陰であるために、その黒い領域の面積は、各小体２の断面に対して全て同じ倍率で現れることによる。黒い領域の面積の計算には、小体２の個数をカウントするように構成してもよい。
【００２９】
また、ある程度小体２の密度が高くなってくると、小体２同士が光軸方向Ｃからみて重なり合い（陰が重なり合い）、その影響から黒の領域の面積と小体２の体積との比例関係が崩れてくる。そのため、前述した比例定数をかけるという体積算出法では、測定誤差が生じてくるが、こういったことを防止するには、予め黒の領域の面積と小体２の体積との関係を求めて校正曲線などにより表しておき、その関係を用いて黒の領域の面積から体積を求めるようにすれば良い。
【００３０】
したがって、このように構成した小体測定装置１によれば、流通路９内で光が平行であるため、その流通路９内の特に光軸方向Ｃのどの位置に小体２が位置しようとも、各小体２の輪郭形状をそれぞれ、ピントぼけなく、エリアイメージセンサ４で確実に検出することができる。
【００３１】
また各レンズ間の距離を任意に設定できるため、流通路９を断面の大きな太いものにするなど、その形状を自由に設定することができ、多様な状況にも対応して種々の小体２を測定することができる。
【００３２】
さらに、必要な基本部品は、光源６、一対のレンズ７、８、エリアイメージセンサ４及び流通路９を形成するための部材だけであるため、構成が非常に簡単で低コスト化が可能になる。
【００３３】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３４】
レンズについて言えば、前記各レンズそのものを流通路の壁の一部にしてもよい。また、レンズはフレネルレンズに限られず、通常の凸レンズを用いても構わないし、その形状も円形のみならず、ケーシングとの関係等から四角や多角形などの形状にしてもよい。さらに、前記各レンズの互いに対向する面を平面、互いに背向する面をレンズ面となるように配置してもよい。このようにすれば、平面が汚れやすい流通路側になるため、汚れのふき取り等が容易になる。
【００３５】
また、光源からエリアイメージセンサに至るまでの光路上に、反射ミラー等の光学部材を設置して、光路を曲げるような構成にしても構わない。
【００３６】
媒体、小体に関して言えば、媒体は、光を透過するものであれば良く、空気等の気体でももちろん良い。小体は、光を遮断するか、あるいは透過するにしても光を屈折して散乱させるものであれば、その部分を暗く検出できるので測定可能である。例えば、霧等の微小体や、液滴、ガラス玉等でも測定対象となる。
【００３７】
情報処理装置に関して言えば、画像データを一定時間間隔で複数取得し、それら画像データから小体の移動速度に関する量を算出する速度算出部をさらに備えていても良い。このことにより、小体の時間あたりの流量を知ることができる。
【００３８】
光源としては、ＬＥＤを利用したものに限られず、ＬＤや電球などを用いてもよい。
【００３９】
その他、本発明は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態における光照射装置を示す模式的概略全体図。
【図２】同実施形態における光照射装置を示す模式的斜視図。
【図３】同実施形態における光照射装置を示す模式的概略全体図。
【図４】同実施形態における画像例示図。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・小体測定装置
２・・・小体
３・・・光学装置
４・・・光センサ（エリアイメージセンサ）
５２・・・体積算出部
６・・・光源
７・・・平行化レンズ
７ａ、８ａ・・・互いに対向する面
７ｂ、８ｂ・・・互いに背向する面
８・・・集光レンズ
９・・・流通路
Ｃ・・・光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007033387.tif 000006